项目名称：自主温室挑战项目
部署地点：荷兰布莱斯韦克
目标行业类型：温室农业
项目合作伙伴：

根据联合国粮农组织（FAO）的数据，到2050年世界人口将达到91亿，全球食品供应必须增加70%以满足未来需求（FAO, n.d.）。由于过去几十年人为灾害和气候变化导致可耕地持续减少，可持续、高效地生产食品变得极其重要。其中一种方法是在温室内种植食品，正如瓦赫宁根大学所说：”温室的产量通常比露天种植高10倍。同时，与露天种植相比，温室生产使用的水要少得多。”

同样，联合国认识到温室农业为农村农民创造稳定收入的潜力（联合国毒品和犯罪问题办公室, n.d.），世界经济论坛（WEF）也分享了新冠疫情期间城市农业增长趋势（钱德兰, 2020）。确实，我们作为个人、组织和企业，需要为受到各种不可抗力因素影响的变化世界做好准备。通过普及人工智能和物联网等现代技术，可以改造农业这一最传统的行业。无论是户外农业、高山茶叶种植、水果蔬菜栽培，还是任何其他类型的畜牧业，技术都可以在提高效率、减少资源投入以及纳入可持续性以保护我们的环境、人民和地球方面发挥作用。

挑战是什么？

如何在温室中用更少的资源生产更高质量的樱桃番茄？

项目内容是什么？

2020年，我们的合作伙伴之一AiCU（图1）在荷兰布莱斯韦克举办的”自主温室挑战2019年9月-2020年6月“活动中获得第二名。该活动旨在邀请计算机科学家和园艺专家挑战自己、前沿技术和手动温室生产，以实现完全自主的温室操作。该活动由瓦赫宁根大学与研究院（WUR）和腾讯联合组织，目标是通过部署人工智能算法和传感器，找到樱桃番茄的最佳智能种植解决方案、温室作物生产的远程控制以及自主温室中的最佳净利润优化策略。

图1. 自主温室挑战项目AiCU团队

WUR是荷兰瓦赫宁根大学和瓦赫宁根研究基金会的学术合作机构。致力于为政府机构和商业部门进行健康食品和可持续生活环境研究。通过结合学术研究、实际应用、创新想法和多样化技术部署，WUR在食品和农业行业创造科学突破。WUR的核心价值观包括社会和福祉、自然资源和生活环境以及基于生物的食品生产，同时强调可持续性和企业社会责任（CSR）价值观。

腾讯是世界领先的中国IT公司，专门从事创新产品开发和服务，通过其通信应用、视频游戏、高质量数字内容、金融科技、云计算等来提升全球人民的生活质量。自1998年成立以来，腾讯一直致力于利用其”科技向善”。

自2018年以来，WUR和腾讯一直在合作组织挑战赛活动，以激励在以更少资源投入培育食品产品中采用人工智能和物联网。2019年，我们的工业物联网产品SenseCAP系列被AiCU团队部署，在为期6个月的自主温室挑战项目期间监测温室内的环境数据，其中培育樱桃番茄（图2）。


图2. AiCU团队部署Seeed的SenseCAP产品

在自主温室国际挑战项目期间，WUR为所有5个团队提供了相同的设施和设备，包括温室隔间、樱桃番茄”Axiany”幼苗、基质、照明、先进的温室模拟器、一些基本传感器等。在这些基础设备的基础上，每个团队都能够根据需要添加额外的传感器和摄像头。在该项目中，传感器收集的数据对于反映温室内部条件至关重要，参数的精确控制可以决定植物的生长状态。通过将数据与自己的信息通信技术和机器学习算法相结合，每个团队独立地对温室的环境设置做出决策，如照明、温度、湿度、CO2浓度、营养、灌溉模式、通风周期等。团队做出的所有决策将决定他们的投入和产出，最终决定谁将赢得挑战，基于挑战协调员西尔克·海明博士描述的5个标准：”高质量、高产量、低能耗、自动化和技术可转移性”（自主温室, 2020）（图3）。

图3. 挑战评分标准（自主温室, 2019）

AiCU团队的专业知识在于作物建模、植物生理学、电子工程、人工智能和机器学习。这样的多学科背景使他们能够充分利用从SenseCAP传感器收集的数据，从各个角度做出决策。在众多参数中，以下数据——土壤湿度（VWC）、土壤温度、电导率（EC）、光合有效辐射（PAR）——由SenseCAP LoRaWAN传感器和网关收集和监测（图4）。


图4. 自主温室挑战项目系统部署图

在自主温室部署的启用SenseCAP的工业物联网设备如下：

  1. SenseCAP无线土壤温度、VWC和EC传感器 – LoRaWAN
  2. SenseCAP户外网关 – LoRaWAN
  3. SenseCAP无线PAR传感器 – LoRaWAN

在这场为期6个月的挑战竞赛期间，AiCU团队巧妙地根据传感器提供的数据构建了自己的算法和模型。因此，在控制温室条件方面做出了最优决策（图5）。

图5. 温室中部署的SenseCAP传感器和网关

谈到传感器的作用时，AiCU团队首席程序员李亮描述说：

“Seeed SenseCAP传感器提供出色的实时测量精度，以及在已建成温室中的简单安装，这要归功于其电池供电的无线操作。API允许我们将传感器顺利集成到我们自己的软件系统中。与Seeed SenseCAP合作是一次很好的体验，我们期待在更多竞赛和生产温室中部署它。”


图6. 自主温室中人工智能种植的樱桃番茄
（自主温室, 2020）

作为这次挑战的成果，我们最终能够看到智慧农业决策、自动化温室控制技术、智慧农业的价值，以及它们在未来减轻农民和食品生产者负担的潜力（图6）。

涉及哪些可持续发展目标？

在联合国17个可持续发展目标中，自主温室挑战项目主要可以为7个可持续发展目标做出贡献（图7）：

图7. 自主温室挑战项目的重要可持续发展目标（联合国, 2016）

通过深入研究这些可持续发展目标的具体目标，我们可以理解该项目可以直接或间接地影响可持续发展的许多层面：

  1. 提高农业生产力和小规模食品生产者（目标2.3）
  2. 通过采用有韧性和适应性的农业实践保障可持续食品生产系统（目标2.4）
  3. 建立受气候变化、社会经济和环境事件影响的服务不足人群在脆弱情况下的韧性（目标1.5）
  4. 通过劳动密集型部门的多元化和技术进步创新提高经济生产力（目标8.2）
  5. 通过促进资源效率和生态友好技术促进包容性和可持续工业化（目标9.2和9.4）
  6. 支持可持续生产的科学和技术能力建设（目标12.A）
  7. 通过将气候变化措施纳入战略和计划，在环境灾害中促进适应能力和韧性（目标13.1和13.2）
  8. 扩大可持续发展的全球多方利益相关者伙伴关系，如公私和民间社会伙伴关系（目标17.16和17.17）

总之，虽然人工智能在农业部门为每个农民广泛普及还有很长的路要走，但自主温室挑战项目为我们提供了关于人工智能和物联网技术如何赋能行业以减少资源投入实现更高效可持续增长的见解和启发。现在，我们比以往任何时候都更期待与您、系统集成商、技术合作伙伴、农业专家以及更多人合作，推动产业向可持续生产转型。